JP5634636B1 - 超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】フッ素系樹脂製測定管路の熱膨張を抑制して形状安定化を図るとともにフッ素系樹脂製測定管路の機械的な剛性を高め、フッ素系樹脂製測定管路に温度センサーなどを付設することなく高精度の流量測定を長期に亘って維持する超音波流量計を提供すること。【解決手段】被測定流体Ｆを流すフッ素系樹脂製測定管路１１０の上流側と下流側とに超音波送受信器１４０，１５０をそれぞれ配置するとともに、フッ素系樹脂製測定管路１１０の外周面と密着状態で炭素繊維強化樹脂製外套管１６０に対して嵌合し、超音波送受信器１４０，１５０の一方からフッ素系樹脂製測定管路１１０内の被測定流体Ｆ中に超音波ビームを発信して超音波送受信器１４０，１５０の他方により受信し、超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差からフッ素系樹脂製測定管路１１０内を流れる被測定流体Ｆの速度を求めてフッ素系樹脂製測定管路１１０内を流れる被測定流体Ｆの流量を求める時間差方式の超音波流量計１００。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波送受信器から発生する超音波ビームが被測定流体を流すフッ素系樹脂製測定管路の上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差からフッ素系樹脂製測定管路内の流体速度を求め、この流体速度にフッ素系樹脂製測定管路の断面積を乗じてフッ素系樹脂製測定管路内を流れる流量を求める時間差方式の超音波流量計に関するものであって、特に、半導体や液晶の製造工程におけるシリコンウエハの研磨・洗浄を行う装置や液晶製造装置などで用いられる様々な薬液、食品製造ラインやケミカル製造ラインにおける原料、貯蔵、混合プロセスで取り扱われる薬液などの液体を測定するための超音波流量計に関するものである。

従来、時間差方式の超音波流量計として、被測定流体が流れる測定管の外周面に軸線方向に離間して取り付けられる二つ超音波送受信器を備え、これら二つの超音波送受信器の一方から発信した超音波振動を測定管内の被測定流体を経て二つの超音波送受信器の他方で受信し、発信側と受信側の超音波送受信器を交互に切り換えて二つの超音波送受信器間の超音波伝搬時間を測定することにより被測定流体の流速を測定する超音波流量計がある（例えば、特許文献１）。

そして、この超音波流量計では、被測定流体が流れる測定管の素材として、耐薬品性と優れた成形性により加工し易く、また、被測定流体中の音速よりも遅い音速で伝播する、すなわち、超音波振動の伝播に影響しないフッ素系樹脂が用いられている。

特開２００５−１８８９７４号公報（特に、請求項６、図１参照）

しかしながら、従来の超音波流量計では、耐薬品性と成形性に優れて熱膨張率の高いフッ素系樹脂からなる測定管の直径が熱膨張で変化すると、たとえば、フッ素系樹脂からなる測定管が１４０℃を超えると１０％以上の変形を生じ、測定管の流路断面積が変化して流速の大きさが影響を受け、さらに、上流側と下流側に超音波送受信器が配置された相互間においてフッ素系樹脂からなる測定管の長さが熱膨張で変化すると、超音波ビームの伝搬経路長も変化して超音波ビームの伝搬時間が影響を受けるため、フッ素系樹脂からなる測定管の熱膨張による直径と長さの変化が測定誤差の要因となるという問題があった。

また、従来の超音波流量計の成形性に優れたフッ素系樹脂からなる測定管は、環境温度や被測定流体温度の上昇や経年変化で機械的剛性が低下し、上流側と下流側に配置した超音波送受信器の相互空間位置の微小な変化が高精度を要求される超音波ビームの相互間において中心線、平行度などの位置ずれやゼロ点ドリフトを引き起こすため、超音波送受信器同士の送受信に支障を来して測定誤差の要因となるという問題があった。

さらに、従来の超音波流量計では、熱膨張率の高いフッ素系樹脂からなる測定管の寸法形状が、温度変化や経年変化に対して不安定であり、長期に亘る流量測定において測定誤差を生じるため、測定管に温度センサー、歪センサーなどを付設することによってこの測定誤差を電気的に接続された図示しない変換器などの演算部によって補正しなければならないという装置構成上の厄介な問題があった。

そこで、本発明は、前述した従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、フッ素系樹脂製測定管路の熱膨張による流路断面積の変化を抑制して形状安定化を図って測定精度を向上させるとともにフッ素系樹脂製測定管路の機械的な剛性を高めてフッ素系樹脂製測定管路に温度センサーなどを付設することなく高精度の流量測定を長期に亘って維持する超音波流量計を提供することである。

本請求項１に係る発明は、被測定流体を流すフッ素系樹脂製測定管路の上流側と下流側とに超音波送受信器をそれぞれ配置し、前記超音波送受信器の一方からフッ素系樹脂製測定管路内の被測定流体中に超音波ビームを発信して前記超音波送受信器の他方により受信し、前記超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から前記フッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の速度を求めて前記フッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の流量を求める時間差方式の超音波流量計において、前記フッ素系樹脂製測定管路の熱膨張による流路断面積の変化を抑制するために前記フッ素系樹脂製測定管路が、前記フッ素系樹脂製測定管路の外周面と密着状態で炭素繊維強化樹脂製外套管に対して嵌合していることにより、前述した課題を解決するものである。

本請求項２に係る発明は、請求項１に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記フッ素系樹脂製測定管路が、被測定流体の最低使用温度以下で形成した断面形状で前記炭素繊維強化樹脂製外套管に対して密着固定されていることにより、前述した課題を解決するものである。

本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載された超音波流量計の構成に加えて、前記炭素繊維強化樹脂製外套管が、前記フッ素系樹脂製測定管路の上流側と下流側との間における超音波ビーム伝搬領域の全長に亘って設けられていることにより、前述した課題を解決するものである。

本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された超音波流量計の構成に加えて、前記フッ素系樹脂製測定管路の上流側と下流側にそれぞれ配置した超音波送受信器が、前記炭素繊維強化樹脂製外套管によって相互に連結されていることにより、前述した課題を解決するものである。

本発明の超音波流量計は、被測定流体を流すフッ素系樹脂製測定管路の上流側と下流側とに超音波送受信器をそれぞれ配置し、超音波送受信器の一方からフッ素系樹脂製測定管路内の被測定流体中に超音波ビームを発信して超音波送受信器の他方により受信することにより、超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差からフッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の速度を求めてフッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の流量を求めることができるばかりでなく、以下のような特有の効果を奏することができる。

すなわち、本請求項１に係る発明の超音波流量計によれば、フッ素系樹脂製測定管路が、前記フッ素系樹脂製測定管路の外周面と密着状態で炭素繊維強化樹脂製外套管に対して嵌合されていることにより、流量測定時に測定環境の温度変化や被測定流体の温度変化による影響を受けたり、流路形状の経年変化の影響を受けても、フッ素系樹脂製測定管路の熱膨張率よりも極めて小さく機械的剛性の極めて高い炭素繊維強化樹脂製外套管がフッ素系樹脂製測定管路の熱膨張による流路断面積の変化を抑制するため、フッ素系樹脂製測定管路の形状安定化を図って測定精度を向上させることができるばかりでなく、フッ素系樹脂製測定管路の機械的な剛性を高め、フッ素系樹脂製測定管路に温度センサーなどを付設することなく高精度の流量測定を長期に亘って維持することができる。
しかも、炭素繊維強化樹脂製外套管が、超音波振動を伝搬しないため、超音波ビームがフッ素系樹脂製測定管路内を確実に伝播してより一段と測定精度を向上させ、また、フッ素系樹脂製測定管路に対する静電気の帯電を減少させるため、帯電による測定回路への影響、回路素子の破壊、可燃性ガスへの発火等の対策が容易に達成することができる。

本請求項２に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１に係る発明が奏する効果に加えて、フッ素系樹脂製測定管路が、被測定流体の最低使用温度以下で形成した断面形状で炭素繊維強化樹脂製外套管に対して密着固定されていることにより、流量計測時における被測定流体の温度が最低使用温度より高温に変化してフッ素系樹脂製測定管路が熱膨張しようとしても、フッ素系樹脂製測定管路よりも高い引張強度の炭素繊維強化樹脂製外套管がフッ素系樹脂製測定管路の熱膨張を確実に抑制して、フッ素系樹脂製測定管路内の流路断面積を一定に保つため、この安定して保たれた所定のフッ素系樹脂製測定管路内の流路断面積に基づいてフッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の速度から被測定流体の流量がより正確に求められ、被測定流体の最低使用温度よりも高い温度で形成したフッ素系樹脂製測定管路が炭素繊維強化樹脂製外套管の内側で縮小して被測定流体の流量が正確に求められないような事態を回避することができる。

本請求項３に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１または請求項２に係る発明が奏する効果に加えて、炭素繊維強化樹脂製外套管が、フッ素系樹脂製測定管路の上流側と下流側との間における超音波ビーム伝搬領域の全長に亘って設けられていることにより、流量測定時にフッ素系樹脂製測定管路が測定環境の温度変化や被測定流体の温度変化の影響を受けても、フッ素系樹脂製測定管路の管路長さが伸縮することなく所定の超音波ビーム伝搬経路長を確保するため、この安定した所定の超音波ビーム伝搬経路長に基づく超音波ビームの上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差からフッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の速度が求められ、この被測定流体の速度からフッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の流量をより正確に求めることができる。

本請求項４に係る発明の超音波流量計によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、フッ素系樹脂製測定管路の上流側と下流側にそれぞれ配置した超音波送受信器が、炭素繊維強化樹脂製外套管により相互に連結されていることにより、流量測定時にフッ素系樹脂製測定管路が測定環境の温度変化や被測定流体の温度変化の影響を受けたり、流路形状の経年変化の影響を受けても、相互間で対向離間して位置決めされた超音波送受信器の取り付け形態が変化すること無く確実に保持され、超音波送受信器の相互間において生じがちな中心線、平行度などの位置ずれやゼロ点ドリフトが抑制されるため、温度変化や経年変化の影響による超音波伝搬ビームの伝播経路や経路長の変動を阻止して長期に亘って安定した高精度の流量測定を維持することができる。

本発明の第１実施例である超音波流量計の概略を示す正面断面図。 図１の符合Ａで示す超音波流量計の流入側の要部拡大図。 図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図。 本発明の第２実施例である超音波流量計の概略を示す正面断面図。 図３におけるＶ−Ｖ断面図。

本発明は、被測定流体を流すフッ素系樹脂製測定管路の上流側と下流側とに超音波送受信器をそれぞれ配置し、超音波送受信器の一方からフッ素系樹脂製測定管路内の被測定流体中に超音波ビームを発信して超音波送受信器の他方により受信し、超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差からフッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の速度を求めてフッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の流量を求める時間差方式の超音波流量計において、フッ素系樹脂製測定管路の熱膨張による流路断面積の変化を抑制するためにフッ素系樹脂製測定管路が、このフッ素系樹脂製測定管路の外周面と密着状態で炭素繊維強化樹脂製外套管に対して嵌合され、フッ素系樹脂製測定管路の熱膨張による流路断面積の変化を抑制して形状安定化を図って測定精度を向上させるとともにフッ素系樹脂製測定管路の機械的な剛性を高めてフッ素系樹脂製測定管路に温度センサーなどを付設することなく高精度の流量測定を長期に亘って維持するものであれば、その具体的な形態は、如何なるものであっても良い。

すなわち、本発明の超音波流量計で計測する被測定流体としては、たとえば、半導体や液晶の製造工程におけるシリコンウエハの研磨・洗浄を行う装置や液晶製造装置で用いられる様々な薬液、食品製造ラインやケミカル製造ラインにおける原料、貯蔵、混合プロセスで取り扱われる薬液などの液体である。

そして、本発明の超音波流量計で用いるフッ素系樹脂製測定管路の具体的な材質については、耐薬品性、耐熱性、耐候性、透明性、電気的特性に優れたフッ素系樹脂であれば良いが、特に、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキル・ビニルエーテル共重合体）を用いた場合には、測定管路の成形性に優れるばかりでなく、ＰＦＡ内の音速が被測定流体の音速よりも遅くなるため、超音波ビームが測定管路に伝わってノイズ源となることを回避することができるので、より好ましい。

また、本発明の超音波流量計で用いるフッ素系樹脂製測定管路の具体的な形態については、たとえば、被測定流体を流通させるフッ素系樹脂製測定管路のみからなるストレート状の測定管路形態を備えたものや、被測定流体を流通させるフッ素系樹脂製測定管路とこのフッ素系樹脂製測定管路の一方端に所定の流入角度で連通する流入管と前記フッ素系樹脂製測定管路の他方端に所定の流出角度で連通する流出管とを備えたコの字状の測定管路形態を備えたものなどがある。

また、本発明の超音波流量計で用いる炭素繊維強化樹脂製外套管の具体的な材質については、母材のエポキシ樹脂と強化材の炭素繊維との複合材として、所謂、カーボン繊維と呼ばれる高強度、耐久性、耐熱性に優れた炭素繊維強化樹脂であれば良いが、特に、炭素繊維強化樹脂を用いた場合、この炭素繊維強化樹脂製外套管の熱膨張率がフッ素系樹脂製測定管路の熱膨張率よりも極めて小さくその機械的剛性が極めて高いため、炭素繊維強化樹脂製外套管がフッ素系樹脂製測定管路の熱膨張による流路断面積の変化を抑制するとともにフッ素系樹脂製測定管路の機械的な剛性を高め、しかも、炭素繊維強化樹脂は、この炭素繊維強化樹脂に含まれる多数の細い炭素繊維で超音波が乱反射を繰り返して減衰し、５００ＫＨｚ以上の超音波を伝搬しないため、炭素繊維強化樹脂製外套管が超音波振動を直接伝搬せず、さらに、フッ素系樹脂製測定管路に対する静電気の帯電を減少させることができるので、より好ましい。

さらに、本発明の超音波流量計における超音波送受信器の具体的な形態については、たとえば、被測定流体を流通させるフッ素系樹脂製測定管路の周囲に厚み方向をフッ素系樹脂製測定管路の長さ方向と平行になるようにフランジ状に配置した超音波振動子と、これらの超音波振動子とフッ素系樹脂製測定管路との間に超音波ビームを略直交方向に屈曲するとともに集束する凹曲反射部を備えてフッ素系樹脂製測定管路を取り囲むように配置したビーム伝達体とで構成される超音波送受信器、あるいは、被測定流体を流通させるフッ素系樹脂製測定管路の中心軸に沿って超音波ビームの送受信を交互に行う超音波振動子と前記フッ素系樹脂製測定管路の中心軸に対して直交配置されてフッ素系樹脂製測定管路の一方端および他方端にそれぞれ形成された管路端封止領域に対面する音響インピーダンス整合層と前記超音波振動子に対面する振動吸収層とで積層される超音波送受信器であっても良い。

以下に、本発明の第１実施例である超音波流量計１００について、図１乃至図３に基づいて説明する。
まず、本実施例の超音波流量計１００は、図１に示すように、被測定流体Ｆを流すＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキル・ビニルエーテル共重合体）からなるフッ素系樹脂製測定管路１１０とこのフッ素系樹脂製測定管路１１０の上流側に９０度前後の流入角度で連通するフッ素系樹脂製流入管１２０と前記フッ素系樹脂製測定管路１１０の下流側に９０度前後の流出角度で連通するフッ素系樹脂製流出管１３０とが全体形態としてコの字状に連結され、計量作業エリアにおいてフッ素系樹脂製測定管路１１０に対するフッ素系樹脂製流入管１２０とフッ素系樹脂製流出管１３０との取付スペースを最少化して、他の周辺機器との設置干渉を回避して優れた操作性を発揮するように構成されている。
なお、上述したフッ素系樹脂製測定管路１１０、フッ素系樹脂製流入管１２０、フッ素系樹脂製流出管１３０については、被測定流体Ｆの円滑な流動性、製造上の成形加工などを考慮して直円管が採用されている。また、フッ素系樹脂製流入管１２０、フッ素系樹脂製流出管１３０は、フッ素系樹脂製測定管路１１０と同様に、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキル・ビニルエーテル共重合体）からなっている。

そして、本実施例の超音波流量計１００は、フッ素系樹脂製測定管路１１０の上流側と下流側に超音波送受信器１４０、１５０がそれぞれ配置され、これらの超音波送受信器１４０、１５０の一方からフッ素系樹脂製測定管路１１０内の被測定流体Ｆ中に超音波ビームを発信して超音波送受信器１４０、１５０の他方により受信するように構成され、さらに、超音波送受信器１４０、１５０と電気的に接続された図示しない変換器などの演算部によって、超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差からフッ素系樹脂製測定管路１１０内を流れる被測定流体Ｆの速度を求め、この被測定流体Ｆの速度に基づいてフッ素系樹脂製測定管路１１０内を流れる被測定流体Ｆの流量を求めるように構成されている。

また、本実施例の超音波流量計１００で用いた超音波送受信器１４０、１５０については、流入側の超音波送受信器１４０の構成および流出側の超音波送受信器１５０の構成は同様であるので、流入側の超音波送受信器１４０の具体的な構成について説明することとし、流出側の超音波送受信器１５０の具体的な構成については、１４０番台の各符号に付した部材と同様に説明となるため、その具体的な説明を省略する。

図１および図２に示すように、流入側の超音波送受信器１４０は、フッ素系樹脂製測定管路１１０の上流側を延長した管路部分に封入した、セラミックからなる円板状の超音波振動子１４１と、ガラスエポキシ樹脂製の音響インピーダンス整合層１４２と、シリコンゴム製の振動吸収層１４３と、グリセリン層１４４と、フッ素系樹脂製の円筒状保持部材１４６と、基板１４７と、ゴム製のＯリング１４８と、これらを封止する蓋部材１４９とで構成されている。

円板状の超音波振動子１４１は、フッ素系樹脂製測定管路１１０の中心軸Ｃに対して直交配置され、送信側の超音波振動子として基板１４７から導線Ｌを介して送られた電気信号（電圧）によって反り共振周波数で振動して超音波ビームを送信する。他方、受信側の超音波振動子として送信側の超音波振動子から送られた超音波ビームを受信して振動し、電気信号（電圧）を導線Ｌを介して基板１４７へ送るように構成されている。

音響インピーダンス整合層１４２は、フッ素系樹脂製測定管路１１０の一方端１１１に形成された管路端封止領域１１１ａに対面し、管路端封止領域１１１ａと超音波振動子１４１との間に配設されている。
音響インピーダンス整合層１４２の音響インピーダンスは、管路端封止領域１１１ａの音響インピーダンスと超音波振動子１４１の音響インピーダンスとの間に設定されている。

要するに、超音波振動子１４１から発信された超音波ビームが管路端封止領域１１１ａによく透過するように、音響インピーダンス整合層１４２は、円板状超音波振動子１４１の密度と管路端封止領域１１１ａの密度との中間の密度となるようにガラスに小さい気泡を混入させて密度調整した薄い層で、超音波振動子１４１と管路端封止領域１１１ａとの間の音響インピーダンスの急変を緩和している。

振動吸収層１４３は、超音波振動子１４１における音響インピーダンス整合層１４２側と反対側に配設されている。振動吸収層１４３は、粘弾性を有し、振動を早期に止めるために設けられている。また、振動吸収層１４３は、超音波振動子１４１を覆って空気や水分による超音波振動子１４１の劣化を防止する役割もある。
グリセリン層１４４は、管路端封止領域１１１ａと音響インピーダンス整合層１４２との間に塗られたグリセリンによって形成されている。
円筒状の保持部材１４６は、内部に基板１４７を保持し、先端が円板状の超音波振動子１４１の周縁部１４１ａと当接している。

Ｏリング１４８は、円筒状の保持部材１４６と内蓋部材１４９との間に配設されている。Ｏリング１４８は、円板状の超音波振動子１４１に対する押圧力を所定の大きさに保つための緩衝材である。

つぎに、本実施例の超音波流量計１００が最も特徴とするフッ素系樹脂製測定管路１１０は、図３に示すように、フッ素系樹脂製測定管路１１０の外周面と密着状態でＣＦＲＰからなる炭素繊維強化樹脂製外套管１６０に対して嵌合され、さらに、この炭素繊維強化樹脂製外套管１６０の両端部には、炭素繊維強化樹脂製外蓋部材１７０がそれぞれ被嵌されている。
そして、このフッ素系樹脂製測定管路１１０に対して炭素繊維強化樹脂製外套管１６０を嵌合させる際には、炭素繊維強化樹脂製外套管１６０が、２分割したＣ状断面を有する管部品から構成され、フッ素系樹脂製測定管路１１０から突出するフッ素系樹脂製流入管１２０およびフッ素系樹脂製流出管１３０をフッ素系樹脂製測定管路１１０の長手方向に沿ってフッ素系樹脂製測定管路１１０とともに挟持するように２分割した管部品を接着剤で接合被嵌している。
これにより、流量測定時に測定環境の温度変化や被測定流体Ｆの温度変化による影響を受けたり、流路形状の経年変化の影響を受けても、フッ素系樹脂製測定管路１１０の熱膨張率よりも極めて小さく機械的剛性の極めて高い炭素繊維強化樹脂製外套管１６０が、フッ素系樹脂製測定管路１１０の熱膨張による流路断面積の変化を抑制している。
しかも、炭素繊維強化樹脂製外套管１６０が、超音波振動を伝搬せず、超音波ビームがフッ素系樹脂製測定管路１１０内を確実に伝播してより一段と測定精度を向上させる。

そして、フッ素系樹脂製測定管路１１０は、被測定流体Ｆの最低使用温度以下で形成した断面形状で炭素繊維強化樹脂製外套管１６０に対して密着固定されている。
これにより、流量計測時における被測定流体Ｆの温度が最低使用温度より高温に変化してフッ素系樹脂製測定管路１１０が熱膨張しようとしても、フッ素系樹脂製測定管路１１０よりも高い引張強度の炭素繊維強化樹脂製外套管１６０が、フッ素系樹脂製測定管路１１０の熱膨張を確実に抑制して、フッ素系樹脂製測定管路１１０内の流路断面積を一定に保っている。

炭素繊維強化樹脂製外套管１６０が、フッ素系樹脂製測定管路１１０の上流側と下流側との間、すなわち、流入側の超音波送受信器１４０と流出側の超音波送受信器１５０との間における超音波ビーム伝搬領域の全長に亘って設けられている。
これにより、流量測定時にフッ素系樹脂製測定管路１１０は、測定環境の温度変化や被測定流体Ｆの温度変化の影響を受けても、フッ素系樹脂製測定管路１１０の管路長さが伸縮することなく所定の超音波ビーム伝搬経路長を確保している。

加えて、フッ素系樹脂製測定管路１１０の上流側と下流側にそれぞれ配置した超音波送受信器１４０、１５０が、炭素繊維強化樹脂製外套管１６０より相互に連結されている。
これにより、流量測定時にフッ素系樹脂製測定管路１１０は、測定環境の温度変化や被測定流体Ｆの温度変化の影響を受けたり、流路形状の経年変化の影響を受けても、相互間で対向離間して位置決めされた超音波送受信器１４０、１５０の取り付け形態が変化すること無く確実に保持され、超音波送受信器１４０、１５０の相互間において生じがちな中心線、平行度などの位置ずれが抑制される。

このようにして得られた本実施例の超音波流量計１００は、フッ素系樹脂製測定管路１１０が、このフッ素系樹脂製測定管路１１０の外周面と密着状態で炭素繊維強化樹脂製外套管１６０に対して嵌合されているため、フッ素系樹脂製測定管路１１０の形状安定化を図って測定精度を向上させるばかりでなく、フッ素系樹脂製測定管路１１０の機械的な剛性を高め、従来のようにフッ素系樹脂製測定管路１１０に温度センサーなどを付設することなく高精度の流量測定を長期に亘って維持し、また、フッ素系樹脂製測定管路１１０が、被測定流体Ｆの最低使用温度以下で形成した断面形状で炭素繊維強化樹脂製外套管１６０に対して密着固定されているため、この安定して保たれた所定のフッ素系樹脂製測定管路１１０内の流路断面積に基づいてフッ素系樹脂製測定管路１１０内を流れる被測定流体Ｆの速度から被測定流体の流量がより正確に求められ、被測定流体Ｆの最低使用温度よりも高い温度で形成したフッ素系樹脂製測定管路１１０が炭素繊維強化樹脂製外套管１６０の内側で縮小して被測定流体Ｆの流量が正確に求められないような事態を回避することができる。

また、炭素繊維強化樹脂製外套管１６０が、フッ素系樹脂製測定管路１１０の上流側と下流側との間における超音波ビーム伝搬領域の全長に亘って設けられているため、この安定した所定の超音波ビーム伝搬経路長に基づく超音波ビームの上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差からフッ素系樹脂製測定管路１１０内を流れる被測定流体Ｆの速度が求められ、この被測定流体Ｆの速度からフッ素系樹脂製測定管路１１０内を流れる被測定流体Ｆの流量をより正確に求めることができる。

さらに、フッ素系樹脂製測定管路１１０の上流側と下流側にそれぞれ配置した超音波送受信器１４０，１５０が、炭素繊維強化樹脂製外套管１６０によって相互に連結されているため、温度変化や経年変化の影響による超音波伝搬ビーム伝播経路や超音波ビーム伝搬経路長の変動を阻止して長期に亘って安定した高精度の流量測定を維持し、また、フッ素系樹脂製測定管路１１０に対する静電気の帯電を減少させるため、帯電による測定回路への影響、回路素子の破壊、可燃性ガスへの発火等の対策が容易に達成するなど、その効果は甚大である。

以下に、本発明の第２実施例である超音波流量計２００について、図４乃至図５に基づいて説明する。
まず、本実施例の超音波流量計２００は、図４に示すように、被測定流体Ｆを流すＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキル・ビニルエーテル共重合体）からなるフッ素系樹脂製測定管路２１０のみからなるストレート状の測定管路形態を備え、計量エリアにおいて如何なる設置形態であっても上流側と下流側のいずれか一方が上方に向けて配置され、フッ素系樹脂製測定管路２１０内に滞留しがちな被測定流体Ｆの気泡が必然的に脱気し、フッ素系樹脂製測定管路２１０内に生じがちな気泡障害を回避して超音波ビームを感度良く送受信するようになっている。

そして、本実施例の超音波流量計２００は、フッ素系樹脂製測定管路２１０の上流側と下流側に超音波送受信器２４０、２５０がそれぞれ配置され、これらの超音波送受信器２４０、２５０の一方からフッ素系樹脂製測定管路２１０内の被測定流体Ｆ中に超音波ビームを発信して超音波送受信器２４０、２５０の他方により受信するように構成され、さらに、超音波送受信器２４０、２５０と電気的に接続された図示しない変換器などの演算部によって、超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差からフッ素系樹脂製測定管路２１０内を流れる被測定流体Ｆの速度を求め、この被測定流体Ｆの速度に基づいてフッ素系樹脂製測定管路２１０内を流れる被測定流体Ｆの流量を求めるように構成されている。

また、本実施例の超音波流量計２００で用いた超音波送受信器２４０、２５０については、流入側の超音波送受信器２４０の構成および流出側の超音波送受信器２５０の構成は同様であるので、流入側の超音波送受信器２４０の構成について説明することとし、流出側の超音波送受信器２５０の構成の詳しい説明は省略する。

図４に示すように、流入側の超音波送受信器２４０は、被測定流体Ｆを流すフッ素系樹脂製測定管路２１０の周囲に厚み方向をフッ素系樹脂製測定管路２１０の長さ方向と平行になるようにフランジ状に配置したピエゾ素子とも呼ばれるセラミック製の超音波振動子２４１と、これらの超音波振動子２４１とフッ素系樹脂製測定管路２１０との間に超音波ビームを略直交方向に屈曲するとともに集束する凹曲反射部２４２ａを備えてフッ素系樹脂製測定管路２１０を取り囲むように配置したビーム伝達体２４２と、超音波振動子２４１の背面に設けたシリコンゴム製の振動吸収層２４３とで構成されている。
なお、前述した凹曲反射部２４２ａは、平面である多数の反射部を組合せて、全体として多面体による凹局面にすることもできる。

フランジ状の超音波振動子２４１は、フッ素系樹脂製測定管路２１０の中心軸Ｃに対して直交配置され、送信側の超音波振動子として電気信号（電圧）により反り共振周波数で振動して超音波ビームを送信する。他方、受信側の超音波振動子として送信側の超音波振動子から送られた超音波ビームを受信して振動し、電気信号（電圧）を図示しない導線Ｌを介して流量を求める演算部へ送るように構成されている。
すなわち、超音波振動子２４１で発信した超音波ビームは、ビーム伝達体２４２を介してフッ素系樹脂製測定管路２１０の一円周上に集束させてフッ素系樹脂製測定管路２１０内に出射し、また、到達した超音波ビームは、フッ素系樹脂製測定管路２１０の一円周上から入射し、ビーム伝達体２４２を介して超音波振動子２４１で受信されるようになっている。

つぎに、本実施例の超音波流量計２００が最も特徴とするフッ素系樹脂製測定管路２１０は、図４乃至図５に示すように、フッ素系樹脂製測定管路２１０の外周面と密着状態で炭素繊維強化樹脂製外套管２６０に対して嵌合されている。
これにより、流量測定時に測定環境の温度変化や被測定流体Ｆの温度変化による影響を受けたり、流路形状の経年変化の影響を受けても、フッ素系樹脂製測定管路２１０の熱膨張率よりも極めて小さく機械的剛性の極めて高い炭素繊維強化樹脂製外套管２６０が、フッ素系樹脂製測定管路２１０の熱膨張による流路断面積の変化を抑制している。
しかも、炭素繊維強化樹脂製外套管２６０が超音波振動を伝播せず、超音波ビームがフッ素系樹脂製測定管路２１０内を確実に伝播してより一段と測定精度を向上させる。

そして、フッ素系樹脂製測定管路２１０は、被測定流体Ｆの最低使用温度以下で形成した断面形状で炭素繊維強化樹脂製外套管２６０に対して密着固定されている。
すなわち、フッ素系樹脂製測定管路２１０と炭素繊維強化樹脂製外套管２６０との密着固定方法としては、フッ素系樹脂製測定管路２１０を被測定流体Ｆの最低使用温度以下に冷却した状態で接着剤を塗布した後に炭素繊維強化樹脂製外套管２６０の管内に挿通することにより密着固定しても良い。
これにより、流量計測時における被測定流体Ｆの温度が最低使用温度より高温に変化してフッ素系樹脂製測定管路２１０が熱膨張しようとしても、フッ素系樹脂製測定管路２１０よりも高い引張強度の炭素繊維強化樹脂製外套管２６０が、フッ素系樹脂製測定管路２１０の熱膨張を確実に抑制して、フッ素系樹脂製測定管路２１０内の流路断面積を一定に保っている。

また、炭素繊維強化樹脂製外套管２６０が、フッ素系樹脂製測定管路２１０の上流側と下流側との間、すなわち、流入側の超音波送受信器２４０と流出側の超音波送受信器２５０との間における超音波ビーム伝搬領域の全長に亘って設けられている。
これにより、流量測定時にフッ素系樹脂製測定管路２１０は、測定環境の温度変化や被測定流体Ｆの温度変化の影響を受けても、フッ素系樹脂製測定管路２１０の管路長さが伸縮することなく所定の超音波ビーム伝搬経路長を確保している。

加えて、フッ素系樹脂製測定管路２１０の上流側と下流側にそれぞれ配置した超音波送受信器２４０、２５０のそれぞれ対向する対向面同士は、フッ素系樹脂製測定管路２１０に密着固定した炭素繊維強化樹脂製外套管１６０で相互に連結されている。そして、超音波送受信器２４０、２５０の両外側面には、炭素繊維強化樹脂製外蓋部材２７０を介して炭素繊維強化樹脂製円筒管２８０が、超音波送受信器２４０、２５０および炭素繊維強化樹脂製外套管２６０を内包状態で包囲して超音波送受信器２４０、２５０の外周部同士を連結している。
したがって、炭素繊維強化樹脂製外套管２６０と炭素繊維強化樹脂製円筒管２７０とを設けたことにより、流量測定時にフッ素系樹脂製測定管路２１０は、測定環境の温度変化や被測定流体Ｆの温度変化の影響を受けたり、流路形状の経年変化の影響を受けても、相互間で対向離間して位置決めされた超音波送受信器２４０、２５０の取り付け形態が変化すること無く確実に保持され、超音波送受信器２４０、２５０の相互間において生じがちな中心線、平行度などの位置ずれやゼロ点ドリフトが抑制される。

このようにして得られた本実施例の超音波流量計２００は、フッ素系樹脂製測定管路２１０が、このフッ素系樹脂製測定管路２１０の外周面と密着状態で炭素繊維強化樹脂製外套管２６０に対して嵌合されているため、フッ素系樹脂製測定管路２１０の形状安定化を図って測定精度を向上させるばかりでなく、フッ素系樹脂製測定管路２１０の機械的な剛性を高め、従来のようにフッ素系樹脂製測定管路２１０に温度センサーなどを付設することなく高精度の流量測定を長期に亘って維持し、また、フッ素系樹脂製測定管路２１０が、被測定流体Ｆの最低使用温度以下で形成した断面形状で炭素繊維強化樹脂製外套管２６０に対して密着固定されているため、この安定して保たれた所定のフッ素系樹脂製測定管路２１０内の流路断面積に基づいてフッ素系樹脂製測定管路２１０内を流れる被測定流体Ｆの速度から被測定流体Ｆの流量がより正確に求められ、被測定流体Ｆの最低使用温度よりも高い温度で形成したフッ素系樹脂製測定管路２１０が炭素繊維強化樹脂製外套管２６０の内側で縮小して被測定流体Ｆの流量が正確に求められないような事態を回避することができる。

また、炭素繊維強化樹脂製外套管２６０が、フッ素系樹脂製測定管路２１０の上流側と下流側との間における超音波ビーム伝搬領域の全長に亘って設けられているため、この安定した所定の超音波ビーム伝搬経路長に基づく超音波ビームの上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差からフッ素系樹脂製測定管路２１０内を流れる被測定流体Ｆの速度が求められ、この被測定流体Ｆの速度からフッ素系樹脂製測定管路２１０内を流れる被測定流体Ｆの流量をより正確に求めることができる。

さらに、フッ素系樹脂製測定管路２１０の上流側と下流側にそれぞれ配置した超音波送受信器２４０，２５０が、炭素繊維強化樹脂製外套管２６０と炭素繊維強化樹脂製円筒管２７０とによって相互に連結されているため、温度変化や経年変化の影響による超音波伝搬ビーム伝播経路や超音波ビーム伝搬経路長の変動を阻止して長期に亘って安定した高精度の流量測定を維持することができるなど、その効果は甚大である。

１００ ・・・ 超音波流量計
１１０ ・・・ フッ素系樹脂製測定管路
１１１ ・・・ 一方端
１１１ａ・・・ 管路端封止領域
１１２ ・・・ 他方端
１２０ ・・・ 流入管
１３０ ・・・ 流出管
１４０ ・・・ 流入側の超音波送受信器
１４１ ・・・ 超音波振動子
１４２ ・・・ 音響インピーダンス整合層
１４３ ・・・ 振動吸収層
１４４ ・・・ グリセリン層
１４６ ・・・ 保持部材
１４７ ・・・ 基板
１４８ ・・・ Ｏリング
１４９ ・・・ 内蓋部材
１５０ ・・・ 流出側の超音波送受信器
１６０ ・・・ 炭素繊維強化樹脂製外套管
１７０ ・・・ 炭素繊維強化樹脂製外蓋部材
２００ ・・・ 超音波流量計
２１０ ・・・ フッ素系樹脂製測定管路
２４０ ・・・ 流入側の超音波送受信器
２４１ ・・・ 超音波振動子
２４２ ・・・ ビーム伝達体
２４２ａ・・・ 凹曲反射部
２４３ ・・・ 振動吸収層
２５０ ・・・ 流出側の超音波送受信器
２６０ ・・・ 炭素繊維強化樹脂製外套管
２７０ ・・・ 炭素繊維強化樹脂製外蓋部材
２８０ ・・・ 炭素繊維強化樹脂製円筒管
Ｆ ・・・ 被測定流体
Ｃ ・・・ 中心軸
Ｌ ・・・ 導線

Claims (4)

1. 被測定流体を流すフッ素系樹脂製測定管路の上流側と下流側とに超音波送受信器をそれぞれ配置し、前記超音波送受信器の一方からフッ素系樹脂製測定管路内の被測定流体中に超音波ビームを発信して前記超音波送受信器の他方により受信し、前記超音波ビームが上流側から下流側に伝搬する時間と下流側から上流側に伝搬する時間との時間差から前記フッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の速度を求めて前記フッ素系樹脂製測定管路内を流れる被測定流体の流量を求める時間差方式の超音波流量計において、
   前記フッ素系樹脂製測定管路の熱膨張による流路断面積の変化を抑制するために前記フッ素系樹脂製測定管路が、前記フッ素系樹脂製測定管路の外周面と密着状態で炭素繊維強化樹脂製外套管に対して嵌合していることを特徴とする超音波流量計。
2. 前記フッ素系樹脂製測定管路が、被測定流体の最低使用温度以下で形成した断面形状で前記炭素繊維強化樹脂製外套管に対して密着固定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計。
3. 前記炭素繊維強化樹脂製外套管が、前記フッ素系樹脂製測定管路の上流側と下流側との間における超音波ビーム伝搬領域の全長に亘って設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波流量計。
4. 前記フッ素系樹脂製測定管路の上流側と下流側にそれぞれ配置した超音波送受信器が、前記炭素繊維強化樹脂製外套管によって相互に連結されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の超音波流量計。